CN109703390A - 模块化车用电池系统的正交充电装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是模块化车用电池系统的正交充电装置及方法，其装置结构包括3个电池单元和单相电网，其中单相电网包括火线和零线，3个电池单元的输出端分别与单相电网的火线连接，输入端同时与单相电网的零线连接；所述的电池单元包括若干个逆变器单元。逆变器单元包括1个模块化逆变器和1个电池包，模块化逆变器由4个功率管以“H”形线路相互连接组成，两端与电池包相连。本发明和有虚功的充电方法相比较，可以极大的提高充电动车电池的充电效率，防止虚功电流对电池性能的损坏。

Description

模块化车用电池系统的正交充电装置及方法

技术领域

本发明涉及的是一种模块化车用电池系统的正交充电装置及方法，属于电动汽车充电控制技术领域。

背景技术

目前，在电动车使用电网对电池直接进行充电的一体化设备里，通常是把多个电池模块化组合，并连接到模块化串级式逆变器上，组成车用三相电池系统结构；当电动车处于行驶状态时，三相电池系统中各相电池单元分别与电动汽车的三相电机连接，逆变输出三相变频调压信号驱动电机，即逆变驱动模式；当电动车电池使用单相电网对车载电池进行直接充电时，将各相电池组输出端分别接火线，输入端汇总接零线，即可使用单相电源进行充电，即单相充电模式。

当该一体化设备运行在电网充电的时候，逆变器的逆变频率和电网运行的频率一致，逆变器的输出电压相位角滞后电网一个角度α，这样物理上逆变器是一个小电网，逆变器这个小电网通过电感和市电网互连，在两个电网同步并存在相位差的情况下，电能会在两个电网之间传输：

该公式里V1，V2分别是电网电压和逆变器输出电压，α为电网和逆变器输出电压两个系统之间的相位差，Z为每一相的阻抗，P为在每一相之间传输的功率。这个公式确定了电网对逆变器电池的充电功率，电网在对逆变器电池充电的时候，由于逆变器运行在一个对等的小电网状态，市电网对逆变器电网有实功的传输，也有虚功的传输。实功能量被电池吸收，虚功在整个系统里会导致电池在一个周期里既充电，又放电，也就是在交流市电网一个运行周期里，一部分时间充电，一部分时间放电，平均充放电功率和能量都为0，也就是虚功对电池的充电没有效果；另外，虚功对电池频繁的充放电有可能导致电池的老化和性能降低，因此在电网对电动车电池充电的时候，应该尽量避免虚功的传输。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有模块化车用电池在电网充电时只传输实功，不传输虚功的问题，提出一种模块化车用电池系统的正交充电装置及方法。

本发明的技术解决方案：模块化车用电池系统的正交充电装置，其结构包括3个电池单元和单相电网，其中单相电网包括火线和零线，3个电池单元的输出端分别与单相电网的火线连接，3个电池单元的输入端同时相接于1个公共端点，公共端点与单相电网的零线连接；

所述的电池单元包括若干个逆变器单元。

所述的逆变器单元包括1个模块化逆变器和1个电池包。

所述的模块化逆变器由4个功率管以“H”形线路相互连接组成，模块化逆变器的两端与电池包相连。

其控制方法包括如下步骤：

1）测量出电网电压V_grid和电网频率f；

2）选定总体电池的充电电流I；

3）计算电感电压：V_L=2πfL，其中f是电网频率，L是电感量；

4）计算电网提前角度：α=a·sin（V_L/ V_grid）；

5）计算逆变器输出电压：V_inverter= V_grid·cos（α）。

本发明的优点：

本发明对电动车里的电池使用的模块化级联逆变器连接电网直接充电，在充电的时候控制电网的提前角和逆变器的输出电压，以及电感电压成一个矢量直角三角形，这样电网对电池的充电电流只有实功电流，没有虚功电流。和传统有虚功的充电电流相比较，可以极大的提高充电动车电池的充电效率，防止虚功电流对电池性能的损坏。

附图说明

附图1是模块化车用电池系统的正交充电装置的结构示意图

附图2是电网通过逆变器对电池充电的等效电路图。

附图3是电网对逆变器电池充电的时候电网电压，逆变器电压，电感电压和电感电流的矢量关系图。

附图4是最大充电功率时的电压和电流矢量图。

附图5是电网电压和逆变器电压同相位矢量图。

附图6是电网电流对模块化车载电池纯实功充电矢量关系图。

附图7是实际电路包括电阻的正交充电电压和电流矢量关系图。

附图8是一个正交充电下电网电压，逆变器电压，电感电压和充电电流的仿真波形图。

附图9是电池充电的瞬时功率波形图。

具体实施方式

如图1所示，模块化车用电池系统的正交充电装置，其结构包括3个电池单元和单相电网，其中单相电网包括火线和零线，3个电池单元的输出端分别与单相电网的火线连接，输入端同时与单相电网的零线连接；所述的电池单元包括若干个逆变器单元。逆变器单元包括1个模块化逆变器和1个电池包，模块化逆变器由4个功率管以“H”形线路相互连接组成，两端与电池包相连。

如图2所示为充电时的等效电路图，在该充电电路里，电网电压，逆变器输出电压和互连电感上的电压降关系为：V_grid=V_inverter+V_L。由于电路中电网充电电流和电感电流一致，电感电流滞后电感电压90°，用矢量图表示为图3。

如图3所示，电感电流可以分解成为平行于逆变器电压的I_{L_active}和垂直于逆变器电压的I_{L_reactive}分量。I_{L_active}是市电电网对逆变器电网传输的实功电流，会对电池充电，I_{L_active}是市电电网对逆变器电网传输的无功电流，不会对电池产生充电储能效果。由功率传输公式

可知，在相位角α为90°和逆变器输出最大电压的情况下，电网对逆变器电池充电功率最大，矢量关系见图4。

从图4可以看出，这个时候电网电压，逆变器电压和电感电压构成一个直角三角形，电感电流达到最大值，也就是电路中的充电电流最大，充电电流一部分是实功电流，一部分是虚功电流。

如果电网电压和逆变器电压同相位，这时候矢量图见图5，电路中没有实功，电网和逆变器电池只有虚功的交换。

实际使用中要尽可能减小无功电流，增加实功电流。从矢量图可以看出，如果I_L=I_{L_active}，则电路中所有的电流都是实功电流，都会对电池充电，电池没有无功电流。这种情况下的电压和电流矢量关系见图6。

从图6可以看出，在电路中电池只有实功电流，没有虚功电流的情况下，电网电压，逆变器电压和电感电压构成一个直角三角形，电感电压垂直逆变器输出电压。由于电感电压垂直逆变器输出电压，该方法即为正交充电法。

在正交条件下，电感电流和逆变器输出电压同相位，电路中的电流都是电池充电的实功电流，没有虚功电流。图6显示的电路中没有电阻，是理想情况，实际中电路和电池都有电阻，在实际电路中要实现无虚功的正交充电，电网电压，逆变器电压，电阻压降和电感电压以及电流的矢量关系见图7；从图7可以看出，由于电阻电压和电感电流同相位，因此有下列矢量关系成立：

V_grid=V_inverter+V_R+V_L；V_R和V_inverter同相位。

实际控制方法包括步骤：

1）测量出电网电压V_grid和电网频率f；

2）选定总体电池的充电电流I；

3）计算电感电压：V_L=2πfL，其中f是电网频率，L是电感量；

4）计算电网提前角度：α=a·sin（V_L/ V_grid）；

5）计算逆变器输出电压：V_inverter= V_grid·cos（α）；

计算出电网提前角α和逆变器输出电压之后，就可以实施控制，在充电过程中控制逆变器的输出和电网同步，对电池充电；如果考虑电路电阻的影响，可以把电流相位测量出来，控制逆变器电压相位和电流相位一致即可消除电阻的影响。

图8是一个正交充电下电网电压，逆变器电压，电感电压和充电电流的仿真波形图。电网电压有效值120V（美国标准），逆变器3级，每一级48V电池。从仿真波形图可以看出电流相位和逆变器电压相位一致。图9是电池充电的瞬时功率波形图，从图上可以看出充电功率无论是在逆变器电压波形的正半周还是负半周，都是正的充电功率。电池充电功率没有小于0的情况，充电没有虚功电流。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.模块化车用电池系统的正交充电装置，其特征是包括3个电池单元和单相电网，其中单相电网包括火线和零线，3个电池单元的输出端分别与单相电网的火线连接，3个电池单元的输入端同时相接于1个公共端点，公共端点与单相电网的零线连接。

2.根据权利要求1所述的模块化车用电池系统的正交充电装置，其特征是所述的电池单元包括若干个逆变器单元。

3.根据权利要求1所述的模块化车用电池系统的正交充电装置，其特征是所述的逆变器单元包括1个模块化逆变器和1个电池包。

4.根据权利要求1所述的模块化车用电池系统的正交充电装置，其特征是所述的模块化逆变器由4个功率管以“H”形线路相互连接组成，模块化逆变器的两端与电池包相连。

5.如权利要求1所述的模块化车用电池系统的正交充电装置的充电方法，包括如下步骤：

1）测量出电网电压V_grid和电网频率f；

2）选定总体电池的充电电流I；

3）计算电感电压：V_L=2πfL，其中f是电网频率，L是电感量；

4）计算电网提前角度：α=a·sin（V_L/ V_grid）；

5）计算逆变器输出电压：V_inverter= V_grid·cos（α）。